JPS61268801A - タ−ボチヤ−ジヤロ−タの軸構造 - Google Patents

タ−ボチヤ−ジヤロ−タの軸構造

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JPS61268801A
JPS61268801A JP60110870A JP11087085A JPS61268801A JP S61268801 A JPS61268801 A JP S61268801A JP 60110870 A JP60110870 A JP 60110870A JP 11087085 A JP11087085 A JP 11087085A JP S61268801 A JPS61268801 A JP S61268801A
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JP
Japan
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shaft
ceramic
stress
buffer plate
flange portion
Prior art date
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Pending
Application number
JP60110870A
Other languages
English (en)
Inventor
Naoto Sasaki
直人 佐々木
Noboru Ishida
昇 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Niterra Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd, NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/026—Shaft to shaft connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、自動車用エンジン等に付設されるターボチ
ャージャにおいてタービン側のセラミックス製軸とコン
プレブサ側の金属製軸とを突き合せ接合してなるターボ
チャージャロータの1119造の改良に関する。
従来の技術 近年、ターボチャージャの過渡応答性の向上や小排気量
エンジンへの適合などを図るために、タービンロータ部
を軽量でかつ高温強度に優れたセラミックス製としたタ
ーボチャージャロータの実用化が試みられている。この
場合(、ロータ軸は、その一部をタービンロータ部とと
もにセラミックスにて型成形し、これをコンプレッサイ
ンペラが装着される金属製軸と突き合せ接合している。
第4図はこのようなターボチャージャロータ1を備えた
ターボチャージャの要部、詳しくはコンプレブサ側の部
分を示したものであり、2がコンプレプサハウジング、
るがコンプレッサインペラ、4がセンタハウジングであ
る。−外のタービンロータ部と一体に型成形されたセラ
ミックス製軸5は、一対のフローティング軸受6(ター
ビン側は図示されていない)が双方ともセラミックス部
分に摺接し得るようにするためにコンプレプサ側の軸受
6の外側に至るまでの長さを有し、かつその先端に一段
小径となりた金属製軸7が接合されるようになっておシ
、金属製軸7の接合端に上記セラミックス製軸5と略同
径の7ランク部8が形成され、この7う/ジ部8とセラ
ミックス製軸5端面とが例えばロー付けにて゛突き合せ
接合されている。そして、上記金属製軸7には、スラス
ト軸受メタル9に摺接するスラストカッ−10と、シー
ル部材111に保持するスリーブ12とを嵌挿した上で
コンプレッサインペラ3が嵌挿され、ロックナツト16
によって締付固定されるようになっている(例えば実開
昭59−63217号公報参照)。
発明が解決しようとする問題点 しかし、上記のようにセラミックス製軸5と金属製軸7
とを一体に接合することは実際には非常に困難である。
その最も大きな原因は、セラミックスと金属との熱膨張
率が著しく相違することに69、例えばロー付けによっ
て両者を直接に接合した場合には熱膨張率差に起因した
応力発生によって接合部の破損や剥離を生じ易い。
一方、この熱膨張率差に起因する応力を緩和するために
、第1図に示すように、両者を接合するロー材層15の
中間にセラミックス製緩衝板16を介在させる方法が考
えられている。
しかし、この場合には、コンプレッサインペラ3 を固
定スべくロックナツト16を締付けた際に生じる7う/
ジ部8の変形に伴って、セラミックス製緩衝板16中心
部分に引張応力が加わ)、これがロー付時の残留応力と
相乗してセラミックス製緩衝板16の破損あるいはクラ
ブク発生に至ることが多い。すなわち、その不良発生率
の高さおよび信頼性に欠けることが実用化の上で大きな
障害となっている。尚、7ランク部8をロックナツト1
6の締付力に対し剛体とみなせる程度に厚くすれば、そ
の締付時の応力発生は回避できるのであるが、上述した
ようにコンプレプサ側の軸受6とスラスト軸受メタル9
との間で接合を行う必要があることから7279部8の
厚さには制約がら問題点を解決するための手段 この発明は上記のような従来の問題点を解決するために
、セラミックス製軸端面と金属製軸の72ンジ部との接
合部に、これらと略同径のセラミックス製緩衝板を介在
させる一方、これに加わる各種応力が最も小さくなるよ
うに条件を設定したものであって、セラミックス製軸の
軸径をDとしひ たときに金属製軸の軸径dがo、3′−o、sDの範囲
内にあるものにおいて、上記7ランク部の厚さtをt/
D = 0.1〜0.4の範囲内に形成したことを特徴
としている。
作用 先ず第1図を参照してセラミックス製緩衝板16に生じ
る応力について説明する。ロックナツト13の締付時に
セラミックス製緩衝板16に生じる応力は、■ロー付時
の残留応力と■ロックナツト13を締付けることによシ
発生する応力とに大別され、更に■の応力は、(aJ捩
クシ応力(bλ引張応力とに分けられる。
■ロー付時の残留応力 ロー付時には、接合部の構成材料の線膨張差に起因して
残留応力(σB)が発生する。すなわち、第1図におい
て、セラミックス製軸5とセラミックス製緩衝板16の
am張率が著しく小さいのに対し、ロー材層15と金属
製軸7の線膨張率は大きい。
このためロー付後の冷却時点では、矢印(イ)、(ロン
として示すように、7ランク部8の径方向の収縮がセラ
ミックス製緩衝板16の径方向の収縮金上廻シ、セラミ
ックス製緩衝板16は第2図に示すような曲げモーメン
トを受けることになる。従りて、中心線上のセラミック
ス製軸5側の点(A点)において最大引張応力を生じ、
これが残留応力(σB)となる。
■ロックナツト13の締付けによシ発生する応力(a)
捩シ応力 ロックナツト13の締付トルクに比例する最大引張応力
がセラミックス製緩衝板16の外径部に発生し、これが
中心部に向かって直線的に減少して中心部では零となる
。
(b)引張応力 ロックナツト1′6の締付けによって7:7/ジ部8が
スラストカラー10の肩部1oavf−支点として一点
鎖線で示すように変形しようとする。このため、フラン
ジ部8に接合されたセラミックス製緩衝板16には図中
に示した分布図のように引張応力(σB)″を生じ、中
心部で最大となる。
以上の応力を重ね合わせると、例えば自動車用ターボチ
ャージャではロックナツト13の締付力Fi0.5〜1
.5 <1!4−m) 、軸径りは8〜12(m)、軸
径dは4〜9(絽)程度でおり、かつフランジ部8は比
較的薄いものであるから、その全体の最大応力が常に中
心線上に発生することになる。従りて、この最大応力が
セラミックス製緩衝板16の許容応力を越えると、中心
線上のA点を破壊起点として破線で示した形状に破壊し
、あるいはクラフクを生じるのである。
この工うなことから、セラミックス製緩衝板16の破壊
を防止するためには、その中心線上における応力の和、
特に■−(IL)の捩シ応カは中心部で零となるから、
■の残留応力(σB)と■−(b)の引張応力の合力に
着目すれば良い。
第3図は、セラミックス製緩衝板16の中心線上での応
力をフランジ部8の厚さtとの関係で示した特性図であ
って、本図はd/D = 0.6について示しているが
”/D = 0.3〜0.8の範囲では略同様の傾向を
示す。
同図に示すようにロー付時の残留応力(σB)はt/D
> 0.5 O領域”t”h略一定値k トD 、 t
/p= 0.5では漸次減少する。
またフランジ部8の変形による引張応力(σB)は、t
/Dが非常に小さい領域ではフランジ部8が降伏してし
まうため応力レベルが極めて低く、これより/Dが若干
大きいところで最も大きい。セしてt/Dが大きくなる
に従って急激に減少し、t/D > 0.56の領域で
は零つまシフランジ部8が剛体としてみなせることにな
る。
一点鎖線は上記の工すな特性を示す残留応力(σB)と
引張応力(σB)との合力を示している。
本発明はt/D = 0.1〜0.4となるようにフラ
ンジ部8の厚さt’6設定したものであって、上記の合
力を示す一点鎖線から明らかなように、t/D=0.1
以下とすると、上記合力がセラミックス製緩衝板16の
許容ろ力(約50 ’/’+1112)を越えてしまい
、その破損やクラフクが生じることになる。
一方、t/D = 0.4以上とすると、前述したよう
にコンプレブサ側の軸受6がセラミックス製軸5とフラ
ンジ部8との接合部もしくはフランジ部8に摺接するこ
とになってしまい、耐摩耗性の確保や潤滑などの点で著
しく不利となる。従って、t/D=0.1〜0.4の範
囲内であれば、これらの新たな不具合を生じることなく
セラミックス製緩衝板16の破損を確実に回避できる。
尚、セラミックスの許容応力に余裕を見込むこと、およ
びフランジ部8の厚さtが大きいと回転時の許容残留ア
ンバランス量が小さくなってバランス修正に時間が掛か
ること、から望ましくはt/p = 0.2〜0.3の
範囲内にあると良い。
実施例 毎ラミックス製軸5として常圧焼結窒化ケイ素からなる
軸径りが10朋のものを用い、金属製軸7としてSN0
M439m質材からなる軸径dが6fiのものを用い、
そのフランジ部8の厚さtを1朋、2寞富、3mおよび
4111とし九4種のものについて、夫々セラミックス
製緩衝板16を介してロー付接合した。セラミックス製
緩衝板16の材料は常圧焼結窒化ケイ素、板厚は0.6
龍、またロー材としては銀ローを用いた。
また比較例としてフランジ部8の厚さt i=0.4闘
および0.8朋とし7’C2種のものについて同様の接
合を行った。
以上の6種の軸構造において、スラストカラー10、ス
リーブ12およびコンブレプサインヘラ3を嵌挿し、ロ
ックナツト13を1.5 K9・m のトルクで締付け
て破損率を求めたところ次の結果を得た。
この実験結果から明らかなように、t/D = 0.1
〜0.4とした上記実施例においては破損率が極めて低
いものとなり、特にt/1) = 0.2以上であれば
全く破損が見られない。
更に厚さtを2m+、3a+および4tmとした3種の
実施例についてターボチャージャロータラ組立て、軸受
6と7ランク部8との相対位置を一定とした条件で回転
試験を行い、回転時の振動レベルを許容値以内に抑える
ための許容残留アンバランス量を測定したところ次のよ
うな結果を得た。
ターボチャージャロータの初期アンパラ/ス量は、バラ
ンス修正位置で通常100 mg 程[あり、これを肉
の切削等による修正によって許容残留アンバランス量以
下としている。従って、許容残留アンバランス量が大き
い程修正作業が容易であシ、10mg 以下に押えるた
めには、微妙な修正が必要で、多くの時間を要しコスト
アップの要因とな層、16・・・叱うミックス製緩衝板
。
るため、か\る観点からは厚さtf:小さくして、t/
p (0,3の領域を用いるのが望ましいと言える。
発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係るターボチ
ャージャロータの軸構造によれば、コンプレッサインペ
ラ装着時における接合部の破損やクラブク発生を防止で
き、タービンロータ部と一体に形成されたセラミックス
製軸と金属製軸とを確実に接合して不良発生率の抑制お
よび信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
第1図はセラミックス製緩衝板を介在させた軸構造の要
部を示す断面図、第2図はセラミックス製緩衝板にロー
付によって生じる変形を示す断面説明図、第3図はセラ
ミックス躯緩衝板の中心線上での応力とt/Dとの関係
を示す特性図、第4図は従来からのターボチャージャの
要部を示す断面図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)タービンロータ部と一体に形成され、かつその軸
    径をDとするセラミックス製軸と、0.3D〜0.8D
    の範囲内の軸径dを有し、かつ一端に上記セラミックス
    軸と略同径のフランジ部が形成されるとともに、該フラ
    ンジ部と他端のロックナットとの間にコンプレッサイン
    ペラが締付固定される金属製軸とからなり、上記セラミ
    ックス製軸端面と上記フランジ部とを突き合せ接合して
    なるターボチャージャロータの軸構造において、両者の
    接合部に、これらと略同径のセラミックス製緩衝板を介
    在させるとともに、上記フランジ部の厚さtを、t/D
    =0.1〜0.4の範囲内に形成したことを特徴とする
    ターボチャージャロータの軸構造。
JP60110870A 1985-05-23 1985-05-23 タ−ボチヤ−ジヤロ−タの軸構造 Pending JPS61268801A (ja)

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JP60110870A JPS61268801A (ja) 1985-05-23 1985-05-23 タ−ボチヤ−ジヤロ−タの軸構造
DE19863617150 DE3617150A1 (de) 1985-05-23 1986-05-22 Turbolader

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JP60110870A JPS61268801A (ja) 1985-05-23 1985-05-23 タ−ボチヤ−ジヤロ−タの軸構造

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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